2. Потери при соединении оптических волокон

В процессе прокладки, монтажа и эксплуатации оптических кабелей необходимо соединять волокна между собой и с аппаратурой. Такие соединения могут быть двух видов: неразъемными и разъемными. Неразъемные соединения производятся в тех случаях, когда не требуется в дальнейшем разъединять соединенные световоды. Такое положение возникает при соединении строительных длин кабеля в муфтах или при восстановлении аварийных обрывов. Разъемные соединения предназначены для выполнения неоднократных соединений и разъединений и осуществляются с помощью специальных разъемов. Последние состоят из арматуры, предназначенной для юстировки и фиксации соединяемых волокон и механической защиты стыка.

При некачественном выполнении обоих видов соединения появляется дополнительное затухание, так как не вся энергия одного волокна переходит в направляемые моды другого. Основной задачей соединения является соблюдение строгой соосности и точного прилегания торцевых поверхностей волокон.

На рис.3 приведены основные виды возможных погрешностей при соединении волокон: радиальное смещение Δr, осевое смещение ΔZ и угловое смещение Δψ.

Дополнительное затухание в соединении от радиального, осевого и углового смещения волокон определяется формулами

, дБ при ≤ 1 (12)

, дБ при ≤ 1 (13)

, дБ при ψ < 0,2 рад (14)

Как правило, наибольший вклад в общее затухание соединения вносит радиальное смещение.

В лабораторной работе испытываются радиальные и осевые смещения, причем для удобства выполнения применены не моноволокна, а жгуты волокон диаметром 3,5 мм. В связи с этим при выполнении расчетов и измерений следует взять а = 3,5 мм.

Рис.3. Виды погрешностей соединения волокон: а) радиальное смещение, б) осевое смещение, в) угловое смещение

Измеренное значение дополнительного затухания на стыке следует определять по формуле:

, дБ (15)

где U₀ – напряжение детектированного сигнала на выходе жгута при отсутствии несовмещенности (Δr = 0, ΔZ = 0); U_Δ – то же, при наличии несовмещенности.

3. Волоконно-оптические жгуты

В устройствах волоконной оптики, применяемых для передачи на короткие расстояния элементов изображений для наблюдения или света для освещения, применяются жгуты, собранные из большого количества плотно уложенных оптических волокон, не имеющих защитного покрытия. При диаметрах волокон порядка 100 мкм такие жгуты имеют поперечные размеры 2-10 мм. Подобные жгуты использованы в лабораторной работе с целью упрощения устройства микроманипулятора и облегчения работы с ним при измерении потерь на стыках, а также для большего удобства визуального наблюдения света, выходящего из волокна при измерениях апертуры.

В устройствах передачи временных оптических сигналов на короткие расстояния иногда применяют волоконные жгуты со сравнительно небольшим числом волокон: 7, 19 или 37. Такие жгуты, за счет увеличения площади торца, позволяют снизить потери на вводе при использовании источников, имеющих размеры излучающей площадки больше, чем площадь торца оптического волокна.

Рис.4. Схема расположения волокон при квадратной (а) и гексагональной (б) укладке и поперечное сечение 19-волоконного жгута (в)

Различаются квадратная и гексагональная укладки волокон (рис.4а,б). В первом случае, оси волокон располагаются на сетке линий, пересекающихся под углами 90°; линии образуют квадраты. Во втором случае оси располагаются на линиях, пересекающихся под углами 60° и образующих правильные шестиугольники. Как видно из рисунка, гексагональная укладка обеспечивает большую плотность расположения торцов волокон в торце жгута. Коэффициент плотности квадратной упаковки составляет 0,785, тогда как гексагональной – 0,907. Поэтому в волоконно-оптических жгутах применяется гексагональная укладка волокон.

При образовании жгутов для передачи сигналов, центральное волокно окружено слоем, содержащим 6 волокон; далее располагается слой, содержащий 6 +6 = 12 волокон, затем слой, имеющий 12 + 6 = 18 волокон. Таким образом, существуют жгуты с числом волокон: 1 + 6 = 7, 7 + 12 = 19 и 19 + 18 = 37. Жгуты с большим числом волокон не используются. На рис.4в показано поперечное сечение 19-волоконного жгута.

В кабелях связи волоконные жгуты не применяются, так как ввиду большого количества волокон значительно возрастает стоимость кабеля. Кроме того, впоследствии разброса длин волокон в жгуте, поступающие с выхода отдельных волокон компоненты общего сигнала сдвинуты между собой во времени. Это приводит к дополнительному уширению передаваемых импульсов и резко снижает пропускную способность оптического кабеля.